Моделирование термогидродинамических характеристик двухфазного потока в опреснительной установке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат наук Кусюмов, Сергей Александрович

• Кусюмов, Сергей Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Кусюмов, Сергей Александрович

Оглавление

Введение

1. Обзор информации

1.1. Ресурсы пресной воды

1.2. Существующие методы опреснения воды

1.3. Сравнительный анализ методов опреснения воды

1.4. Дистилляция

1.5. Сепаратор

1.6. Уравнения течения несжимаемой вязкой жидкости

1.7. Модели турбулентности

1.8. RANS-модели турбулентности

1.9. Модели турбулентности к-г

1.10.Уравнения стандартной к-е модели турбулентности

1.11. Уравнение энергии

1.12. Стандартная функция стенки

1.13. Модели многофазности

1.14. Моделирование кавитации

1.15. Сетки и итерационные алгоритмы совместного решения уравнений переноса 39 импульса и неразрывности

1.16. Обзор предыдущих экспериментальных и численных исследований

1.17. Апробация модели Mixture для различных задач кавитационного течения

1.18. Вывод

2. Физическое моделирование работы опреснительной установки

2.1. Схема и принцип работы лабораторной установки

2.2. Экспериментальные исследования

2.3. Выводы

3. Численное моделирование течения в парогенераторе

3.1. Описание расчётной сетки и настроек пакета Fluent

3.2. Проверка решения на допустимость значенийу+ и сеточную независимость 64 3.3.Зависимость производительности парогенератора от температуры жидкости

3.4. Влияние величины разрежения на выходе из парогенератора на рабочий процесс

3.5. Вывод формулы для нахождения скорости в критическом сечении сопла Лаваля

3.6. Влияние величины перепада давления на производительность парогенератора

3.7. Влияние геометрических параметров парогенератора на производительность

3.8. Влияние сжимаемости воды на характеристики работы парогенератора. 105 Скорость звука в трёхкомпонентной смеси

3.9. Определение радиуса парового пузырька

3.10. Выводы

4. Численное моделирование течения в сепараторе

4.1. Расчёт сепаратора сливного типа

4.2.Постановка задачи для моделирования проточного сепаратора

4.3. Исследование решения на сеточную независимость

4.4. Результаты расчёта параметров течения в сепараторе

4.5. Выбор рабочего режима

4.6. Выводы 152 Заключение 153 Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование термогидродинамических характеристик двухфазного потока в опреснительной установке»

Введение

В настоящее время отмечается нехватка пресной воды в отдельных регионах, количество которых угрожающе растёт. Следовательно, технологии очистки воды становятся все более востребованными. Помимо этого, в условиях начинающегося дефицита энергоресурсов становится приоритетным требование о низких энергозатратах любой массово внедряемой технологии. Постоянный рост цен на материальные и энергетические ресурсы требует неизменного повышения производительности установок и уменьшения затрат на организацию и обслуживание.

Существующие методы способны обеспечивать либо высокую степень очистки небольших объёмов, либо невысокую степень очистки больших объёмов. Процесс очистки воды от солей в опреснительной установке может происходить либо без изменения агрегатного состояния воды (электродиализ, ионный обмен, обратный осмос, экстракция), либо с изменением (дистилляция, замораживание). Оба подхода требуют значительных затрат электроэнергии. Строительство, оборудование и обслуживание установок обоих типов отличается высокой стоимостью. Кроме того, многие методы требуют либо постоянной работы установки, либо использования дополнительных материалов.

Дистилляция с точки зрения соотношения между величиной объёма очищаемой воды и качеством её очистки является наиболее универсальным методом, а также отличается несколько меньшими эксплуатационными затратами. Дистилляционные опреснительные установки являются основным типом опреснителей для труднодоступных регионов с жарким климатом, что определяет их незаменимость в определённых условиях. Однако затраты энергии на подогрев воды до температуры кипения являются достаточно значительными. Проведение процесса под вакуумом позволит снизить температуру кипения, что сделает возможным использование низкопотенциальных источников тепла либо солнечной энергии.

В связи с этим, разработка низкозатратной технологии испарения и опреснения является актуальной задачей.

В гидромеханике используется два основных метода разработки и исследования: физическое (эксперимент) и численное моделирование.

Экспериментальные исследования режимов течения в опреснительных установках требуют существенных финансовых затрат и зачастую сопряжены со значительными трудностями технического характера. Установка должна быть подключена к инженерным коммуникациям (для обеспечения подвода и отвода рабочего тела - воды). Установка также должна быть рассчитана на значительные перепады давления (от избыточных манометрических давлений в несколько атмосфер до достаточно глубокого вакуума) и температуры.

Применение методов вычислительной гидродинамики (CFD -Computational Fluid Dynamics) позволяет существенно снизить затраты на

1

проведение экспериментальных исследований. При этом возможно проведение детальных параметрических исследований с полным анализом структуры и характеристик течения и возможностью сравнительно быстро изменять геометрию исследуемых объектов. Поэтому сочетание численного моделирования этих потоков и использования экспериментальных данных является актуальным направлением исследований.

Современный уровень развития методов CFD позволяет решать с достаточной точностью многие практические задачи. Для достижения требуемой точности при расчёте методами CFD требуется корректно построить сетку и выбрать адекватные математические модели. В ряде публикаций [1.17.1] представлены результаты численного исследования течений в инженерных конструкциях (парогенераторах и сепараторах), которые могут рассматриваться как составные части опреснительной установки. Однако в этих работах не ставилась задача разработки непосредственно технологии получения пресной воды.

В данной работе проведено исследование возможности создания опреснительной установки для частичного опреснения воды (предварительной водоподготовки) на основе низкозатратной технологии дистилляционного опреснения. Исследования проводились для основных элементов установки - низкотемпературного парогенератора и сепаратора центробежного типа. В качестве основного инструмента для моделирования потоков в элементах опреснительной установки использован пакет прикладных программ Fluent. Программный продукт ANSYS Fluent в настоящее время является одним из наиболее развитых коммерческих пакетов, который применяется при решении задач как внешней, так и внутренней аэрогидромеханики. Пакет Fluent позволяет моделировать двухфазные течения на базе встроенных моделей двухфазной жидкости Mixture (модель с фазовым переходом) и Eulerian. Кроме того, Fluent позволяет использовать различные полуэмпирические модели турбулентности, включая к-е и RSM модели.

Глава 1 содержит обзор информации по существующим методам опреснения. В ходе обзора рассматриваются преимущества вакуумного метода дистилляционного опреснения, выбранного для изучения. Здесь же приведены обзоры используемых математических моделей и ранее проведённых численных исследований по моделированию течений в элементах установки.

Глава 2 содержит описание лабораторной установки, прототип которой был построен для проведения экспериментального исследования течения. Приводятся экспериментальные данные по расходу компонентов пароводяной смеси в зависимости от рабочей температуры и перепада давления на входе и выходе парогенератора.

В главе 3 представлены результаты численного моделирования работы парогенератора для двухкомпонентной двухфазной среды (пар-вода).В этой же главе моделируется работа парогенератора для трёхкомпонентной среды

(воздух-пар-вода) и определяется формула для скорости звука в трёхкомпонентной смеси.

Глава 4 содержит результаты численного моделирования работы сепаратора. При этом рассматриваются два вида сепаратора, отличающиеся геометрией донной части. На защиту выносятся:

- принцип низкотемпературного опреснения воды методом вакуумной дистилляции;

- уточнённая формула для определения критического расхода в парогенераторе;

- выражение для скорости звука в двухфазной трёхкомпонентной смеси;

- рекомендации по построению расчётных сеток для моделирования течения в парогенераторе и сепараторе и выбору настроек пакета прикладных программ Fluent;

- рекомендации по выбору математических моделей процессов в парогенераторе и сепараторе (модели турбулентности, модели двухфазности);

- результаты экспериментального и численного моделирования процессов в опреснительной установке и её элементах.

Достоверность результатов исследований обеспечивается:

- применением апробированных математических моделей двухфазных потоков и полуэмпирических моделей турбулентности;

использованием в расчётах хорошо зарекомендовавшего себя промышленного коммерческого пакета ANSYS Fluent;

- сочетанием экспериментального и численного метода исследований.

1. ОБЗОР ИНФОРМАЦИИ

1.1. Ресурсы пресной воды

Пресная вода - второй фундаментальный ресурс, на ограниченность которого наталкивается стремительный рост населения. Как известно, в настоящее время перед некоторыми регионами и странами стоит проблема острой нехватки пресной воды. В обозримом будущем нехватка пресной воды угрожает стать еще одной глобальной проблемой человечества.

Количество пресной воды планеты, включая реки, озера, ледники, айсберги, равно 35,8 млн. км3, или 2,5 % воды земного шара [1.1.1]. Сюда не входит пресная вода подземных источников, водные ресурсы которых

о

составляют 60 млн. км , но большая их часть минерализована [1.1.2]. До 97 % объема пресной воды планеты сосредоточено в ледниках, расположенных в малонаселенных регионах с суровым климатом, и практически не используется человеком. И только менее 3 % пресной воды, что составляет 876 тыс. км3, или около 0,06 % водных ресурсов Земли, находится в реках, озерах и почве [1.1.2].

Ежегодно на поверхность суши земного шара выпадает 110 тыс. км3 осадков, что примерно в 10 раз больше объема озера Верхнее в США. Этого огромного количества было бы достаточно, чтобы с легкостью удовлетворить потребности всех людей на планете, - если бы вода появлялась там и тогда, где и когда она нужна людям. Однако большую ее часть невозможно использовать. 61,1 % от общего количества осадков составляет т.н. «зеленая вода», которая поглощается почвой и растениями, а затем испаряется обратно в воздух [1.1.3]. Эта вода практически недоступна для использования — за исключением той ее части, которая естественным путем попадает непосредственно на поля и фермы (что составляет 5,1% от общего количества осадков).

Годовой же сток всех рек мира равен 37,3 тыс. км3, а ежегодный расход пресной воды в последней четверти XX века равнялся 8 тыс. км3 (или 20 % мирового стока рек). Общее потребление пресной воды (на бытовые и производственные нужды) в расчете на одного жителя планеты с населением 6 млрд. человек составило 1333 м3 в год [1.1.4].

70 % мировых ресурсов подземных и речных вод используется на орошение, 20 % - на нужды промышленности и 10 % - на бытовые нужды [1.1.5].

Согласно прогнозу, запасы пресной воды будут исчерпаны к 2230 году, если не удастся решить проблему восполнения ее дефицита, увеличивающегося соответственно росту населения и промышленного производства. Положение усугубляется неравномерным распределением на Земле пресной воды, а сооружение водопроводов большой протяженности от

ее источников к местам потребления, как правило, нерационально экономически [1.1.6].

Наблюдающаяся уже сейчас нехватка пресной воды может быть вызвана как «экономическим» ее недостатком (когда недостаточная техническая грамотность, плохое правительственное управление или недостаток средств ограничивают доступ к воде даже при наличии достаточных ее источников), так и «физическим» (когда потребность в воде превышает ее наличие).

Экономический недостаток свойственен главным образом странам Африки и некоторым частям Индийского субконтинента и Юго-Восточной Азии.

Физический недостаток свойственен странам Аравийского полуострова, а также Средней Азии и Мексике. Кроме того, физический недостаток испытывают локальные поселения в труднодоступных регионах (главным образом, расположенные на побережьях морей и соленых озер).

1.2. Существующие методы опреснения воды

Существующие методы опреснения воды подразделяют на две основные группы: с изменением и без изменения агрегатного состояния воды [1.2.1].

Методы опреснения воды без изменения ее агрегатного состояния:

1. Электродиализ.

2. Ионный обмен.

3. Обратный осмос.

4. Экстракция.

Методы опреснения воды с изменением ее агрегатного состояния:

1. Дистилляция.

2. Замораживание.

Известны общие недостатки вышеперечисленных способов опреснения

воды:

1. Высокая составляющая затрат на электроэнергию в себестоимости производимой воды (до 60 %).

2. Высокая стоимость оборудования и строительства.

3. Длительные сроки окупаемости установок.

Однако при рассмотрении вопросов водоснабжения отдаленных поселений приходится примиряться с высоким расходом электроэнергии на опреснение, т.к. доставка воды иными способами - посредством трубопроводов и тем более моторизованным транспортом - не представляется технически осуществимой.

Электродиализ заключается в удалении солей из раствора при пропускании через воду электрического тока. Электролизная ванна, используемая для опреснения воды, ограничивается двумя диафрагмами (полупроницаемыми мембранами с наполнителем из анионитовых или катионитовых смол). Два отграниченных диафрагмами пространства называются крайними камерами; в них помещаются катод и анод [1.2.2]. Катионы и анионы растворенных в воде солей под действием электрического тока устремляются к катоду и аноду, проходят через мембраны, покидая основную емкость, и задерживаются в камерах, встретившись с заряженными одноименно с соответствующим электродом диафрагмами. Недостатки метода:

1. Высокие затраты электроэнергии.

2. Невысокое качество опреснения (процесс тем экономичнее, чем меньше разница между соленостью опресняемой и опресненной воды).

Ионный обмен основан на том, что в соленой воде катионы и анионы солей находятся в подвижном состоянии, и их легче заменить на другие ионы, чем удалять из раствора. Есть вещества, называемые сорбентами или ионитами (они же ионообменные смолы), которые удаляют из раствора либо катионы (в этом случае их называют катеонитами), либо анионы (тогда их называют анионитами) [1.2.3].

Недостатки метода:

1. Повышенная токсичность сточных вод (в сточные воды, помимо солей, попадают использовавшиеся для регенерации ионообменных смол реагенты, имеющие кислую реакцию).

2. Заметный рост эксплуатационных расходов пропорционально солесодержанию воды.

Обратный осмос основан на процессе диффузии, который непрерывно происходит в клетках живых организмов и называется осмосом (молекулы воды поступают внутрь клетки, окруженной полупроницаемой мембраной, через поры мембраны из раствора с меньшей концентрацией солей в раствор с большей концентрацией). Если со стороны раствора с большей концентрацией солей создать определенное давление, то происходит обратный процесс (обратный осмос): молекулы воды начинают проникать через поры мембраны из раствора с большей концентрацией солей в раствор с меньшей концентрацией.

Обратноосмотический процесс в системах очистки воды также основан на прохождении молекул воды через полупроницаемую синтетическую мембрану, при котором абсолютное большинство загрязнений удаляется. При этом загрязнения, находящиеся в концентрированном растворе солей (концентрате), во избежание засорения мембраны сбрасывают в дренаж. Такая высокая степень очистки связана с очень маленьким диаметром пор мембраны, которые в 200 раз меньше размеров вирусов и в 4000 раз меньше размера бактерий [1.2.4]. Давление, при приложении которого к рассолу проникновение в него опресняемой воды прекратится, называется осмотическим давлением. Для морской воды при нормальных условиях осмотическое давление составляет приблизительно 25 атмосфер. Недостатки метода:

1. Необходимость тщательной предподготовки воды.

2. Желательность непрерывной работы установки.

При экстракции солей к воде добавляют реагенты, образующие при взаимодействии с солями нерастворимый осадок. Для удаления из воды отрицательных ионов хлора используются соли серебра (в осадок выпадает хлористое серебро), для удаления положительных ионов щелочных металлов - соли бария (большинство их, в особенности сернокислый барий, нерастворимы в воде). При экстракции воды к ней добавляют гидрат-агенты (метилбромидгидраты, метилхлоридгидраты, гидраты изобутана), связывающие пресную воду в форме кристаллов, которые в дальнейшем разлагаются на чистую воду и гидрат-агент в специальном расплавителе [1.2.5].

Недостатки метода:

1. Постоянная потребность в реактивах.

2. Медленное протекание реакций (особенно реакции осаждения бария).

3. Токсичность реагентов (барий) и продуктов электролиза (хлор).

Дистилляция - выпаривание соленой воды, сбор образующегося пара и конденсация его. В результате образуется пресная вода, называемая дистиллятом.

Дистилляция - наиболее распространенный на морских судах способ получения пресной воды из забортной морской. Как известно, морская вода представляет собой раствор, состоящий из воды - летучего растворителя и солей - нелетучего растворенного в воде твердого вещества. Сущность дистилляции заключается в том, что забортную воду нагревают до кипения и выходящий пар собирают и конденсируют. Образуется пресная вода, называемая дистиллятом. Выпаривать воду можно как при кипении, так и без кипения. В последнем случае морскую воду нагревают при более высоком давлении, чем давление в камере испарения, куда направляется вода. Так как при этом температура воды превышает температуру насыщения, соответствующую давлению в камере испарения, то часть поступившей воды превращается в пар, который и конденсируется в дистиллят. Для парообразования используется теплота, содержащаяся в самой испаряемой воде, которая при этом охлаждается до температуры насыщения оставшегося рассола. Основное термодинамическое различие между процессами заключается в следующем: при кипящем процессе теплота подводится от внешнего источника и поддерживает температуру насыщения при данном постоянном давлении в испарителе, т.е. процесс является изотермическим; при некипящем процессе теплота подводится к морской воде без кипения до температуры выше температуры насыщения, соответствующей давлению в испарителе, и, следовательно, процесс испарения идет за счет внутренней теплоты и является адиабатным [1.2.6].

Недостатком термического опреснения избыточного давления является его малая экономичность: на получение 1 кг дистиллята расходовалось до 700 ккал, что соответствует выходу 10-12 т дистиллята на 1 т расходуемого топлива. Этот недостаток удалось преодолеть применением вакуумных испарителей с использованием утилизационной теплоты двигателей внутреннего сгорания и парогенераторов [1.2.6].

Опреснение замораживанием основано на том, что при замерзании соленого раствора (например, морской воды) образующийся лед получается пресным. При медленном замораживании вокруг ядер кристаллизации образуются игольчатые кристаллы льда; иглы располагаются вертикально. По мере замерзания воды возрастает концентрация солей в растворе, а следовательно, возрастает и плотность; рассол по образованным игольчатыми кристаллами каналам оседает вниз, а сверху остается опресненный лед [1.2.7].

Для лучшего опреснения морского льда иногда применяется искусственное плавление его части при температуре ~ 20°С. Вода, образующаяся при таянии, способствует более полному вымыванию солей изо льда. Способ вымораживания достаточно прост и экономичен, но требует сложного и громоздкого оборудования [1.2.6].

Главный недостаток данного метода - нецелесообразность применения вне холодных климатических зон.

Существуют также другие методы опреснения как без изменения агрегатного состояния (биологический) [1.2.1], так и с изменением (нагрев до сверхкритической температуры, газогидратный метод) [1.2.5], но по сравнению с вышеперечисленными методами они изучены мало и применяются значительно реже.

Вышеперечисленными способами решаются следующие задачи:

1. Опреснение морской и минерализованной воды.

2. Получение питьевой воды в экстремальных условиях.

3. Подготовка воды к использованию в теплоэнергетике (очистка, умягчение, обессоливание).

4. Очистка всех видов сточных вод от любых загрязнений.

5. Извлечение из сточных вод большинства химических соединений и элементов.

6. Обезвреживание и обеззараживание природных и сточных вод.

7. Устранение аварийных разливов нефти и нефтепродуктов, в том числе их удаление с поверхности водоемов и грунта.

Таким образом, опреснительные установки могут быть использованы не только для снабжения питьевой водой регионов с экстремальными климатическими условиями. Опреснительные установки также могут решать задачи водоподготовки и водоочистки в промышленности и энергетике.

1.3. Сравнительный анализ методов опреснения воды

Авторы различных установок обессоливания воды предлагают многочисленные сравнения их экономической эффективности, естественно, в пользу своих разработок. Ранее, в 1960-1980 гг., считалось [1.2.3], что до 2 г/л выгодно использование ионного обмена, а при большем - выпарки. Разработка и совершенствование всех методов обессоливания воды, особенно стремительное усовершенствование мембранных процессов, постоянно меняет соотношение стоимостей установок и очищенной воды. Кроме того, в настоящее время все большую роль играет экологичность процессов очистки воды, т.е. количество сбрасываемых в окружающую среду солей. Следует отметить, что многие положительные и отрицательные качества этих процессов зависят от солесодержания обрабатываемой воды.

При обессоливании воды ионным обменом пропорционально солесодержанию питающей воды растут объем ионитов и оборудования, а также расход реагентов, т.е. капитальные и эксплуатационные затраты. Даже при оптимально организованной регенерации (противоток) с минимальным избытком реагентов в сточные воды поступают извлеченные соли и использовавшиеся реагенты в количестве 1,1-2,0 от количества солей. Суммарное количество составляет 2,1-3,0 [1.2.3]. Следует учитывать, что эти соли находятся в небольшом объеме регенератов, соответственно, в высокой концентрации. Регенераты, как правило, имеют кислую реакцию и требуют дополнительной нейтрализации. Прямой сброс таких отходов запрещен. Обычно используется метод разбавления другими стоками. Эксплуатационные расходы практически прямо пропорциональны солесодержанию исходной воды.

В обратном осмосе производительность мембранных элементов, расход энергии и, соответственно, капитальные и эксплуатационные затраты незначительно зависят от солесодержания (см. рис. 1.3.1). При обратном осмосе количество солей в стоках близко к их количеству в питающей обратноосмотическую установку воде. Дополнительным источником солей являются составы для промывки мембран обратного осмоса. Суммарное количество сбрасываемых солей пропорционально солесодержанию исходной воды и, при правильном расчете и эксплуатации обратноосмотической установки, превышает его на 5-15%. К сожалению, известны случаи, когда из-за неверно выбранных условий эксплуатации приходится промывать мембраны обратного осмоса столь часто, что сброс токсичных солей оказывается во много раз больше. Сбросные воды -концентрат обратного осмоса - имеют солесодержание в 2,5-4,0 раза большее, чем исходной воды, т.е. 1-2 г/л, и состав, соответствующий ей. Это дает возможность сброса стоков без больших проблем.

Рис. 1.3.1 Сравнение зависимости стоимости очистки воды ионным обменом и обратным осмосом от солесодержания воды при одинаковой производительности

Сравнивая стоимость очистки воды обратным осмосом и ионным обменом, можно отметить наличие точки пересечения прямых, соответствующих каждому методу. Положение этой точки у разных авторов сильно различается: от 600-800 мг/л до 100-150 мг/л [1.2.3]. Последнее вряд ли может соответствовать реальности. Корректно эта точка может быть определена только для заданного состава воды при сравнении реальных установок с учетом всех расходов. Так, эксплуатационные расходы при обратном осмосе существенно зависят от способа предотвращения выпадения осадков. При применении ингибиторов их количество растет пропорционально содержанию солей жесткости. При умягчении воды ионным обменом необходимо учитывать расходы на эту операцию, которые также растут пропорционально содержанию солей жесткости в воде. Кроме того, необходимо учитывать стоимость исходной воды, расход которой при обратном осмосе примерно в 1,5 раза выше, чем при ионном обмене и выпарке воды, а также стоимость сброса отходов.

Следует отметить, что корректное сравнение методов может быть проведено только для конкретных условий. Так, по данным фирмы КоЬш&Нааз [1.3.1], при использовании современного ионообменного оборудования во многих случаях метод ионного обмена экономичнее обратного осмоса.

Для глубокого обессоливания воды однозначно эффективнее ионный обмен, но он не годится для больших объемов.

При опреснении морской воды корректно сравнивать энергозатраты на проведение процесса. Отчетливо виден прогресс в совершенствовании дистилляции и обратного осмоса, которые в настоящее время являются основными конкурентами. Ионный обмен в этих условиях не используется.

Таблица 1.3.1 Расход энергии на опреснение морской воды [1.3.1]

Метод опреснения Расход энергии, МДж/м3

1955-1970 гг. 1970-1980 гг. 1989-1990 гг. 1990-2000 гг.

Дистилляция 950-2900 350-950 130-350 50-130

Кристаллизация 300-800 200-300 - -

Электродиализ - 300-400 200-300 100-200

Обратный осмос - 200-300 50-200 15-50

Наиболее распространены в практике дистилляция, ионный обмен, электродиализ и обратный осмос.

Таблица 1.3.2. Эффективность очистки воды [1.3.1]

Способы опреснения и обессоливания Солесодержание воды, мг/л

исходной опресненной и обессоленной

Ионный обмен 1500-2000 0.1-20

Дистилляция Более 10000 0.5-50

Электродиализ 1500-15000 Не менее 500

Обратный осмос (гиперфильтрация) До 40000 10-1000

Следует отметить преимущества и недостатки каждого из методов.

Ионный обмен - преимущества:

о возможность получения сверхчистой воды; о отработанность и надежность;

о способность работать при резко меняющихся параметрах питающей воды;

о минимальные капитальные и энергозатраты; о меньший расход питающей воды;

о минимальный объем вторичных отходов, обеспечивающий возможность их переработки.

Обратный осмос - преимущества:

о высокое качество воды по взвесям, биологическим и органическим загрязнениям;

о минимальные количество реагентов и суммарный сброс солей в

окружающую среду; о возможность сброса концентрата без обработки в канализацию; о относительно низкие эксплуатационные затраты;

о отсутствие агрессивных реагентов и необходимости их обработки.

Термический метод - преимущества:

о высокое качество воды по взвесям, биологическим и органическим загрязнениям;

о минимальные количество реагентов и суммарный сброс солей в

окружающую среду; о возможность сброса концентрата без обработки в канализацию; о относительно низкие эксплуатационные затраты; о отсутствие агрессивных реагентов и необходимости их обработки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кусюмов, Сергей Александрович, 2013 год

Список литературы

1.1.1. Дерпгольц В.Ф. Мир воды. - Л., Недра, 1979.

1.1.2. Павлов Ю.В. Опреснение воды. -М., Просвещение, 1972.

1.1.3. Роджерс П. Перед лицом нехватки пресной воды. // В мире науки, №11, ноябрь 2008.

1.1.4. Русанов В.П. Капля чистой воды. - Л., изд. «Знание» РСФСР, 1983.

1.1.5. Вишневский А. Можно ли накормить весь мир? // Демоскоп Weekly, №77-78, 26 августа - 8 сентября 2002.

1.1.6. Слесаренко В.Н. Опреснение морской воды. - М., Энергоатомиздат, 1991.

1.2.1. Николадзе Г.И. Коммунальное водоснабжение и канализация. - М., Стройиздат, 1983.

1.2.2. Григоров О.Н. Руководство к практическим работам по коллоидной химии. - М., Химия, 1984.

1.2.3.Колодин М.В. Вода и пустыни. - М., Мысль, 1981.

1.2.4. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. - М., Химия, 1978.

1.2.5. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. Учебное пособие. - М., Издательство МГУ, 1996.

1.2.6. Судовые силовые установки. Пресс-релиз Морского агентства «ТрансСервис».

1.2.7. Зелинская Е.В., Воронина Е.Ю. Теоретические аспекты использования гидроминерального сырья. - М., Издательство Российской Академии Естествознания, 2009.

1.3.1. Пресс-релиз НПК «Медиана-фильтр».

1.4.1.Сийрде Э.К., Теаро Э.Н., Миккал В.Я. Дистилляция. - Л., Химия, Ленинградское отделение, 1991.

1.4.2.Малтабар В.М., Фертман Г.И. Технология коньяка. 2-е изд. - М., Пищевая промышленность, 1971.

1.4.3.Багатуров С.А. Основы теории и расчёта перегонки и ректификации. 3-е изд. - М., Химия, 1974.

1.4.4.Стабников В.Н. и др. Ректификация в пищевой промышленности: теория процесса, машины, интенсификация. - М., Лёгкая и пищевая промышленность, 1982.

1.5.1. Пресс-релиз ООО «Альянс».

1.5.2. Пресс-релиз ООО «Энерговентмаш».

1.5.3. Кера A. CFD investigation of a flow inside a cyclone with additional gas extraction. // Chemical and Process Engineering, 29, 1027-1035 (2008).

1.6.1. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. - М., Мир, 1990.

1.6.2. Ганиев Р.Я. Применение методов вычислительной гидродинамики для расчёта коэффициента истечения стандартной диафрагмы. / Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. - Казань, 2009.

1.7.1. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика: теория турбулентности. -М., Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1992.

1.7.2. Орсег С. Численное моделирование. // ДАН СССР, 1959. - 127 т., № 4, с. 768-771

1.7.3. Щербаков М.А., Юн А.А. Сравнительный анализ моделей турбулентности с использованием научного кода "Fastest-3D" и коммерческог опакета ANSYS CFX. // Вестник МАИ. т. 16, №5. М.: 2010. 1.8.1. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. -М., Госхимиздат, 1962.

1.9.1. Palau-Salvador G., Gonzalez-Altozano P. and Arviza-Valverde J. Numerical modeling of cavitating flows for simple geometries using FLUENT V6.1. // Spanish Journal of Agricultural Research 2007 5(4), 460-469.

1.9.2. Wecel G. Fluent Tutorials. ANSYS Inc., 30th March 2009.

1.9.3. Launder B.E., Spalding D.B. Lectures in Mathematical Models of Turbulence. - Academic Press, London, England, 1972.

1.9.4. Chouldhury D. Introduction to the Renormalization Group Method and Turbulence Modeling. Fluent.Inc. Technical Memorandum TM-107, 1993. 1.11.1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Издание 5-е. - М., 2003.

1.12.1. Launder В.Е., Spalding D.B. The Numerical Computation of Turbulent Flows. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 3:269-289, 1974.

1.12.2. 2006 Fluent 6.3 User's Guide Chapter 12. Modeling Turbulence.

1.13.1. Fluent 6.1: обучающая программа (ANSYS, Inc.).

1.13.2. Кочевский A.H. Расчет внутренних течений жидкости в каналах с помощью программного продукта FlowVision // Вестник СумГУ. - Сумы, 2004.-№2(61).-С. 25-36.

1.14.1. Пирсол И. Кавитация. / Пер. с англ. Ю.Ф. Журавлёва. Ред., предисл. и дополн. Л.А. Эпштейна. -М., Мир, 1975.

1.14.2. 2006 Fluent 6.3 User's Guide Chapter 23. Modeling Multiphase Flows.

1.15.1. Ортега Дж., Пул У. Введение в численные методы решения дифференциальных уравнений. / Пер. с англ.; Под ред. А А. Абрамова. - М., Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986.

1.15.2. Бабенко К.И. Основы численного анализа. - М., Наука, 1986.

1.15.3. Сиковский Д.Ф. Методы вычислительной теплопередачи. Учебное пособие. - Новосибирск, изд. НГУ, 2011.

1.16.1. Caupin F., Herbert Е. Cavitation in water: a review. // Comptes Rendus Physique 7 1000-1017 (2006).

1.16.2. Розенбергер Ф. История физики. Пер. с нем. И.Сеченова. -М., Государственное технико-теоретическое издательство, 1934.

1.16.3. Briggs L.J. Maximum superheating of water as a measure of negative pressure. // Journal of Applied Physics, 26 1001-1003 (1955).

1.16.4. Brereton G.J., Crilly R.J., Spears J.R. Nucleation in small capillary tubes // Chemical Physics, 230 253-265(1998).

1.16.5. Moore G.R. Vaporization of superheated drops in liquids. // AIChE Journal, 5 458-466 (1959).

1.16.6.Wakeshima H., Takata К. On the limit of superheat. // Journal of the Physic Society of Japan 13, 1398-1403 (1958).

1.16.7.Apfel R.E. Vapor nucleation at a liquid-liquid interface. // Journal of Chemical Physics 54, 62-63 (1971).

1.16.8. Blander M., Hengstenberg D., Katz J.L. Bubble nucleation in n-pentane, n-hexane, n-pentane + hexadecane mixtures, and water, // The Journal of Physical Chemistry 75, 3613-3619 (1971).

1.16.9. Павлов П.А., Скрипов В.П. Кинетика спонтанного зародышеобразования в сильноперегретых жидкостях. // Теплофизика высоких температур, 1970. - Т.8, №3,с. 579-585.

1.16.10. Скрипов В.П., Павлов П.А. Взрывное вскипание жидкостей и флуктуационное зародышеобразование. // Теплофизика высоких температур. 1970.-Т.8, №4, с.833-839.

1.16.11. Kafalas P., Ferdinand Jr. А.Р. Fog droplet vaporization and fragmentation by а 10.6-цт laser pulse. // Applied Optics 12, 29-33 (1973).

1.16.12. Pinnick R.G., Biswas A., Armstrong R.L., Jennings S.G., Pendleton J.D., Fernandez G. Micron-sized droplets irradiated with a pulsed C02laser: measurement of explosion and breakdown thresholds. // Applied Optics 29, 918-925(1990).

1.16.13. Kudryashov S.I., Lyon K., Allen S.D. Photoacoustic study of relaxation dynamics in multibubble systems in laser-superheated water. // Physical Review E 73, 055301(R) (1-4) (2006).

1.16.14. Ко J. Numerical modeling of highly swirling flows in a cylindrical through-flow hydrocyclone. - Licentiate Thesis from Royal Institute of Technology Department of MechanicsSE-100 44 Stockholm, 2005.

1.16.15. Bradley D, Pulling D.J. Flow patterns in the hydraulic cyclone and their interpretation in terms of performance. // Transcript of the Institute of Chemical Engineers 37 (1959).

1.16.16. Ericson В., Gistroen H. The development of hydrocyclones for cleaning high consistency paper pulp-Master's thesis, Department of Fibre and Polymer Technology, Royal Institute of Technology, Stockholm, 1989.

1.16.17. Cullivan J.C., Williams R.A., Dyakowski Т., Cross C.R. New understanding of a hydrocyclone flow field and separation mechanism from computational fluid dynamics. // Minerals Engineering 17 (5), 651-660 (2004).

1.16.18. Beekmans J.M. A steady-state model of the reverse-flow cyclone. // Aerosol Science 3, 491-500 (1972).

1.16.19. Нигматуллин Р.И. Динамика многофазных сред. -М., Наука, 1987.

1.16.20. Koch W.H., Licht W. New design approach boosts cyclone efficiency. // Chemical Engineering pp. 80-88 (1977).

1.16.21.Leith D., Licht W. The collection efficiency of cyclone type particle collectors - a new theoretical approach. // American Institute of Chemical Engineers, Journal 68 (126), 196-206 (1972).

1.16.22.Lynch A. J., Rao T.C., Prisbrey К A. The influence of hydrocyclone diameter on reduced-efficiency curves. // International Journal of Mineral Processing 1, 173-181 (1974).

1.16.23.Altmeyer S., Mathieu V., Jullemier S., Contal P., Midoux N., Rode S., Leclerc, J.-P. Comparison of different models of cyclone prediction performance for various operating conditions using a general software. // Chemical Engineering and Processing 43, 511-522 (2004).

1.16.24.Chen W., ZydekN., Parma F. Evaluation of hydrocyclone models for practical applications. // Chemical Engineering Journal 50, 295-303 (2000).

1.16.25. Bloor M.I.G, Ingham D.B. Theoretical investigation of the flow in conical hydrocyclone. // Transactions of the Institute of Chemical Engineers 51, 36—41 (1973).

1.16.26. Мартынов В.В. О поле скоростей в коническом гидроциклоне. // Известия АН СССР, 1981. -№ 15, т. 6.

1.16.27. Laverack S.D. The effect of particle concentration on the boundary layer flow in a hydrocyclone. // Transcript of Institution of Chemical Engineers 58, 3342 (1980).

1.16.28. Hsieh K.T., Rajamani R.K. Mathematical model of the hydrocyclone based on physics of fluid flow. // American Institute of Chemical Engineers Journal37 (5), 1991.

1.16.29.Pericleous K.A., Rhodes N. The hydrocyclone classifier - a numerical approach. // International Journal of Mineral Processing 17, 23-43 (1986).

1.16.30. Rajamani R.K., Milin L. Fluid-flow model of the hydrocyclone for concentrated slurry classification. // Hydrocyclones: Analysis and Applications (Kluwer Academic Publishers), pp.95-108 (1992).

1.16.31.Rajamani R.K., Devulapalli B. Hydrodynamic modeling of swirling flowand particle classification in large-scale hydrocyclones. // KONA 12, 95-104 (1994).

1.16.32. Launder B.E., Priddin C.H., Sharma B.I. The calculation of turbulent boundary layers on spinning and curved surfaces. // ASME, Journal of FluidsEngineering 99, 231-239 (1977).

1.16.33. Dyakowski Т., Williams R.A. Modeling turbulent flow within a small diameter hydrocyclone. // Chemical Engineering Science 48 (6), 1143-1152 (1993).

1.16.34.Ma L., Ingham D.B., Wen X. Numerical modeling of the fluid and particle penetration through small sampling cyclones. // Journal of Aerosol Science31 (9), 1097-1119(2000).

1.16.35.Sevilla E.M., Branion R.M. The fluid dynamics of hydrocyclones. // Journal of Pulp and Paper Science 23 (2), J85-J93 (1997).

1.16.36.Witt P.J., Mittoni L.J., Wu J.. Shepherd I C. Validation of a CFD model for predicting gas flow in a cyclone. // In CHEMECA 1999. - Newcastel, Australia.

1.16.37. Petty C.A., Parks S.M. Flow predictions within hydrocyclones. // Filtration& Separation 38 (6), 28-34 (2001).

1.16.38. He P., Salcudean M., Branion R.M., Gartshore I.S. Mathematical Modelling of Hydrocyclones. // ASME Fluid Engineering Devision Summer Meeting FEDSM'97 .

1.16.39. Statie E., Salcudean M., Gartshore I., Bibeau E. The influence of hydrocyclone geometry on separation and fibre classification. // Filtration «^Separation 38 (6), 36-^1 (2001).

1.16.40. Malhotra A., Branion R.M., Hauptmann E. Modeling the Flow in a Hydrocyclone. Tech. Rep. // Pulp and paper research institute of Canada (1993).

1.16.41. Griffiths W.D., Boysan F. Computational fluid dynamics and empirical modeling of the performance of a number of cyclone samplers. // Journal of AerosolScience 27 (2), 281-304 (1996).

1.16.42. Hoekstra A.J., Derksen J.J., Van der Akker H.E.A. An experimental and numerical study of turbulent swirling flow in gas cyclones. // Chemical Engineering Science pp. 2055-2065 (1999).

1.16.43. Yang I.H. et al. A three-dimensional simulation of a hydrocyclone for the sludge separation in water purifying plants and comparison with experimental data. // Minerals Engineering 17 (5), 637-641 (2004).

1.16.44. Boysan F., Ayers W.H., Swithenbank J. A fundamental mathematical modeling approach to cyclone design. // Transcripts of the Institute of Chemical Engineers 60, 222-230 (1982).

1.16.45. Hoekstra A. Gas Flow Field and Collection Efficiency of Cyclone Separators. PhD thesis. - Technical University of Delft, Delft The Netherlands, 2000.

1.16.46. Peng W., Hoffmann A.C., Boot P.J., Boot A.J., Udding A., Dries H.W.A., Ekker A., Kater J. Flow pattern in reverse-flow centrifugal separators. // Powder Technology 127, 212-222 (2002).

1.16.47. Chu L., Chen W., Li X., Wu C. Numerical simulation of turbulence and its structure in a hydrocyclone. // Transactions Nonferrous Metal Society of China9 (1), 128-136 (1999).

1.16.48. Hanjalic K. Advanced turbulence closure models: a view of current status and future prospects. // International Journal of Heat and Fluid Flow 15 (3), 1994.

1.16.49. Montavon C.A., Grotjans H., Hamill I.S., Phillips H.W., Jones I.P. Mathematical modeling and experimental validation of flow in a cyclone. // 5th International Conference on cyclone technologies: Vortex Separation, pp. 175-186, York (2000).

1.16.50. Slack M.D., Prasad R.O., Bakker A., Boysan F. Advances in cyclone modelling using unstructured grids. // Transactions of the Institute of Chemical Engineers 78 (Part A), 2000.

1.16.51. Harwood R., Slack M.D. CFD analysis of a cyclone. // QNET Network Newsletter 1 (4), 25-27 (2002).

1.16.52. Grady S.A., Wesson G.D., Abdullah M., Kula E.E. Prediction oflO-mm hydrocyclone separation efficiency using computational fluid dynamics. // Filtration & Separation 40 (9), 41-46 (2003).

1.16.53.Schuetz S., Mayer G., Bierdel M., Piesche M. Investigations on the flow and separation behaviour of hydrocyclones using computational fluid dynamics. // International Journal Mineral Processing 73, 229-237 (2004).

1.16.54.Derksen J.J., Van der Akker H.E.A. Simulation of Vortex Core Precession in a Reverse-Flow Cyclone. // American Institute of Chemical Engineers Journal 46 (7), 1317-1331 (2000).

1.17.1. AbuafN., Wu B.G., Zimmer G.A., Saha P. A study of non-equilibrium flashing of water in a converging-diverging nozzle, NUREG/CR 1864.Office of Nuclear Regulatory Research, BNL-NUREG-51317 - Vol. 1. NY (USA), 1981.

1.17.2. Wang G., Ostoja-Starzewski M. Large eddy simulation of a sheet/cloud cavitation on aNACA0015 hydrofoil. // Applied Mathematical Modeling 31 (2007).

2.1.1. Тонконог В.Г., Коненков А.Г., Кусюмов С.А. Кавитационный парогенератор для опреснительной установки. // Труды Академэнерго № 2, 2011

2.2.1. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. -М., Наука, 1972.

3.2.1. TuJ., Yeoh G.H, Liu С. Computational fluid dynamics. A practical approach. // Elsevier, 2008, 455 p.

3.3.1 Некрасов Б.Б. Гидравлика и её применение на летательных аппаратах. -М., Машиностроение, 1967.

3.3.2. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Гидрогазодинамика. Учебное пособие для вузов. - М., Энергоатомиздат, 1984.

3.3.3. Кусюмов С.А. Анализ содержания объёмной концентрации паровой фазы при критическом режиме течения. // Материалы Международной молодёжной научной конференции XX Туполевские чтения. Казань, 22-24 мая 2012 г.

3.5.1. KolevN. Multiphase flow dynamics. - Springer, 2009.

3.5.2. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М., Машиностроение, 1992.

3.8.1. Гольдин Л.Л. Руководство к лабораторным занятиям по физике. - М., Наука, 1983.

3.8.2. Бондарев Е.Н., Дубасов В.Т., Рыжов Ю.А. и др. Аэрогидромеханика. Учебник для студентов высших технических учебных заведений. - М., Машиностроение, 1993.

3.8.3. Kozubkova М., Rautova J. Cavitation modeling of the flow in Laval nozzle. // 3rd IAHR International Meeting of the Workgroup on Cavitation and Dynamic Problems in Hydraulic Machinery and Systems, October 14-16, 2009, Brno, Czech Republic.

3.8.4. Болгарский A.B., Мухачёв Г.А., Щукин B.K. Термодинамика и теплопередача. Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. -М., «Высшая школа», 1975.

3.8.5. Brennen С.Е. Cavitation and bubble dynamics. - Oxford University Press, 1995.

3.8.6. Тонконог В.Г., Коченков А.Г., Кусюмов С.А. Моделирование термогидродинамических процессов в вакуумной опреснительной установке. // Материалы V Всероссийской научно-технической конференции

«Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики». Казань, 12-13 октября 2009 г., т. 1, с. 574-579. 3.9.1. Тукмаков А.Л., Тонконог В.Г., Коненков А.Г., Кусюмов С.А. Численное моделирование течения вскипающей жидкости в каналах переменного сечения. // Авиационная техника, 4'2011. - Казань, 2011.